专利名称：一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，特别是涉及分布式远程集中监控和数字化栽培管理技术，实现对多达100个以上菇房进行各自独立的环境小气候实时监控以及栽培生产管理，以满足食用菌工厂化栽培对菇房环境自动调控和数字化栽培生产管理的要求。
背景技术：
食用菌工厂化栽培在单位土地面积内，利用设施、设备人工调节食用菌的生长环境条件，创造出适宜不同菌类不同发育阶段的环境小气候，进行立体、大规模、高效率、反季节周年栽培，同时保证食用菌的高产量和高质量生产。然而，目前食用菌工厂化栽培中，环境智能监控及栽培过程自动化和信息化水平偏低，因此食用菌的工厂化栽培仍然难以标准化、规范化，也因此难以扩大生产规模，产量和食用菌的质量未能在工厂化栽培中得到明显的提高，未能充分发挥食用菌工厂化栽培应有的优势和效率。因此食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统与数字化栽培管理系统是食用菌工厂化栽培的核心关键技术。目前食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统构建仍然处在探索阶段，计算机控制系统主要不足在于系统架构不合理和功能还偏于简单。目前控制系统常见为两极结构模式:系统的中心上位机和多个下位机相连，监控多个菇房，构成两级计算机分散控制结构。这种系统结构中，下位机一般使用基于单片机的控制板，控制板连接传感器和执行机构等，功能包含控制、信号采集、数据处理、存储、通讯和用户操作设置界面等，这使得下位机控制板电路复杂，从而可靠性降低；另一方面由于单片机本身资源限制，控制板的功能、存储容量和性能被限制，不容易扩展；还有，由于各传感器和执行机构都必须使用星型布线集中到控制板，再由控制板连接到中心上位机，使得系统布线安装也较为复杂，现场安装、硬件端口设置和组态都不易灵活实现。控制系统还有一种常见结构模式是基于工控机，工控机与传感器和执行器连接通过通用IO板卡相连，该种结构主要缺点是成本偏高，布线也是星型布线集中连接到工控机；当菇房数量增多时，IO板卡需求量相应增大，端口接线也更复杂。这种结构模式中，工控机及其IO板卡也常被PLC及其附属IO模块代替。单从软件角度，现有食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统中，上位机软件系统主要是以本地独立软件的形式，难以远程、多用户共享方式实现监控。部分系统添加Web服务器实现远程访问，但监控系统仍然是独立本地软件，Web服务器主要是提供远程数据共享，从而实现远程报表和数据显示，难以实现远程实时环境监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，能够保证计算机控制系统计算和存储性能，又能提高系统可靠性和简化系统安装布线和远程多用户实时访问监控。并且系统成本降低，设置、维护和扩展升级方便。本发明采用以下方案实现:一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于包括:N个控制系统客户端、控制系统服务器、Modbus总线集线器、室外气象站以及设于菇房内的M个Modbus总线接口传感器和执行器；
所述的控制系统客户端经计算机通信网络与所述控制系统服务器连接；
所述控制系统服务器经Modbus总线集线器负责控制所述传感器和室外气象站的数据采集以及执行器的动作，并负责实现控制系统客户端服务请求响应；其中N、M为自然数。在本发明一实施例中，所述控制系统服务器提供Web接口，客户端软件系统通过网络能远程多用户共享连接服务器的应用模式。在本发明一实施例中，该系统能通过编辑设置Excel表格文件并导入控制系统服务器，即可完成系统组态设置。在本发明一实施例中，所述控制系统服务器使用轻量级Web框架，无用户交互图形界面，控制系统客户端程序通过Http协议连接控制系统服务器完成数据实时通信，客户端软件系统实现控制系统用户远程集中监控操作、数据曲线及报表生成及显示。在本发明一实施例中，该系统能通过增删改设置硬件端口和Modbus总线节点地址信息表格，并导入所述控制系统服务器，即可实现该系统硬件端口的设置。在本发明一实施例中，所述控制系统服务器还负责实现一控制策略与控制算法的实现以及组态数据的管理。在本发明一实施例中，所述的控制策略是基于输入和设置的食用菌栽培专家经验知识，根据具体栽培食用菌，将食用菌整个栽培周期分树形结构食用菌生长阶段，根据不同阶段及一天不同时段，自动调整食用菌栽培环境因子设置；根据当前各环境因子设置值，结合调控设备耗费能量情况及食用菌栽培阶段和时段，根据最大生产利润优化规则，调整各环境因子设置及其控制算法参数。在本发明一实施例中，所述组态数据包括:I)菇房菇房温区信息，包括编号及菇房描述信息；2) Modbus总线Master信息，包括编号、协议、地址或端口信息；3) Modbus请求信息，包括编号、描述信息、使用的Modbus总线Master及对应的Modbus总线Slave、功能码、地址和长度；4)执行器及测量设备信息，包括编号、所在菇房号、描述信息、类型、Modbus请求号及偏移量、取值范围、单位。本发明充分利用工控机的计算、存储和数据通信能力，将大量的历史数据存储、复杂的智能控制算法和控制策略基于工控机实现，并能充分利用工控机上的便利软件开发环境。通过Modbus总线连接工控机和传感器和执行器，系统扩展和硬件端口调整灵活便利，系统软件通过组态设置即可满足不同系统需求和硬件配置，利用Modbus总线型网络通信，布线安装简单、节省线材；传感器和执行器通过Modbus总线与工控机相连，只负责信号转换，功能简化、单一，从而更易提高可靠性，并可选用标准通用器件产品；客户端通过Http协议实现连接服务端，可在现有多种网络环境下实现远程实时连接，客户端应用Http协议，但又不用通用浏览器访问实现，自行开发客户端用户界面，可根据需要实现控制系统特有监控用户交互界面和数据曲线报表等数据表示形式，并提高系统的安全性。
图1是本发明实施例食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统集成框图。图2是本发明实施例食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统结构框图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。如图1本实施例的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统包括N个控制系统客户端、计算机通信网络、控制系统服务器(工控机)、Modbus总线集线器、室外气象站、多个Modbus总线接口传感器和执行器和Modbus总线。这里N可以是多个，控制系统客户端实现了监控用户交互界面和数据曲线报表等数据表示形式，多个控制系统客户端通过计算机通信网络可同时连接控制系统服务器；控制系统服务器负责连接传感器和执行器，负责室外气象站、菇房中的传感器数据采集及菇房中执行器驱动控制，并同时负责实现控制系统客户端服务请求响应；ModbuS总线集线器负责扩展总线节点数量及分割不同Modbus总线网段；室外气象站负责采集菇房室外气象数据；各个菇房中的多个传感器负责环境因子或设备状态数据采集，执行器负责菇房环境调控设备驱动控制。上述控制系统服务器提供Web接口，客户端软件系统通过网络能远程多用户共享连接服务器的应用模式。本实施例系统能通过编辑设置Excel表格文件并导入控制系统服务器，即可完成系统组态设置。上述述控制系统服务器使用轻量级Web框架，无用户交互图形界面，控制系统客户端程序通过Http协议连接控制系统服务器完成数据实时通信，客户端软件系统实现控制系统用户远程集中监控操作、数据曲线及报表生成及显示。该系统能通过增删改设置硬件端口和Modbus总线节点地址信息表格，并导入所述控制系统服务器，即可实现该系统硬件端口的设置。本实施例中，所述控制系统服务器还负责实现控制策略与控制算法的实现、组态数据管理，控制策略是基于输入和设置的食用菌栽培专家经验知识，根据具体栽培食用菌，将食用菌整个栽培周期分树形结构食用菌生长阶段，根据不同阶段及一天不同时段，自动调整食用菌栽培环境因子设置。另外根据当前各环境因子设置值，结合调控设备耗费能量情况及食用菌栽培阶段和时段，根据最大生产利润优化规则，适度调整各环境因子设置及其控制算法参数，以达到减少生产能量投入目的。在本发明一实施例中，在控制系统安装调试时，通过实验实现菇房环境因子过程模型辨识，基于具体环境因子过程模型，使用串级控制与基于过程模型的内模控制算法实现环境因子回路控制。所述组态数据包括:1)菇房菇房(温区)信息，包括编号及菇房描述信息；2)ModbuS总线Master信息，包括编号，协议，地址或端口信息；3) Modbus请求信息，包括编号、描述信息、使用的Modbus总线Master及对应的Modbus总线Slave、功能码、地址和长度等；4)执行器及测量设备信息，包括编号、所在菇房号、描述信息、类型、Modbus请求号及偏移量、取值范围、单位等。为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面结合系统中的软件模块做进一步说明，请参见图2，本发明食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统由硬件电路模块与软件模块组成，其中，部分模块组合一起以整体出现，软件I是控制系统客户端程序，包含A-环境监控操作界面、B-栽培管理操作界面、C-系统组态与设置界面、D-数据统计分析界面、E-数据曲线与报表界面和F-用户管理操作界面软件模块，控制系统中可以同时多个客户端程序运行；软件2是控制系统服务器程序，包含G- Web微框架模块、H-控制算法与控制策略模块、1-实时数据处理模块，J-组态与设置数据处理模块、K-数据采集处理模块、L—设备驱动处理模块和M—Modbus Master模块组成；模块3是基于RS485的Modbus总线；模块4是菇房数据采集及设备驱动模块，包含N-数据采集硬件模块和O-设备驱动硬件模块，控制系统中一个菇房或室外气象站对应一个模块4，控制系统包含多个模块4，模块4中包含多个模块O和模块N。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于包括:N个控制系统客户端、控制系统服务器、Modbus总线集线器、室外气象站以及设于菇房内的M个Modbus总线接口传感器和执行器； 所述的控制系统客户端经计算机通信网络与所述控制系统服务器连接； 所述控制系统服务器经Modbus总线集线器负责控制所述传感器和室外气象站的数据采集以及执行器的动作，并负责实现控制系统客户端服务请求响应；其中N、M为自然数。
2.根据权利要求1所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:所述控制系统服务器提供Web接口，客户端软件系统通过网络能远程多用户共享连接服务器的应用模式。
3.根据权利要求1所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:该系统能通过编辑设置Excel表格文件并导入控制系统服务器，即可完成系统组态设置。
4.根据权利要求1所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:所述控制系统服务器使用轻量级Web框架，无用户交互图形界面，控制系统客户端程序通过Http协议连接控制系统服务器完成数据实时通信，客户端软件系统实现控制系统用户远程集中监控操作、数据曲线及报表生成及显示。
5.根据权利要求1所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:该系统能通过增删改设置硬件端口和Modbus总线节点地址信息表格，并导入所述控制系统服务器，即可实现该系统硬件端口的设置。
6.根据权利要求1所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:所述控制系统服务器还负责实现一控制策略与控制算法的实现以及组态数据的管理。
7.根据权利要求6所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:所述的控制策略是基于输入和设置的食用菌栽培专家经验知识，根据具体栽培食用菌，将食用菌整个栽培周期分树形结构食用菌生长阶段，根据不同阶段及一天不同时段，自动调整食用菌栽培环境因子设置；根据当前各环境因子设置值，结合调控设备耗费能量情况及食用菌栽培阶段和时段，根据最大生产利润优化规则，调整各环境因子设置及其控制算法参数。
8.根据权利要求6所述的食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于:所述组态数据包括:1)菇房菇房温区信息，包括编号及菇房描述信息；2) Modbus总线Master信息，包括编号、协议、地址或端口信息；3)Modbus请求信息，包括编号、描述信息、使用的Modbus总线Master及对应的Modbus总线Slave、功能码、地址和长度；4)执行器及测量设备信息，包括编号、所在菇房号、描述信息、类型、Modbus请求号及偏移量、取值范围、单位。
全文摘要
本发明涉及一种食用菌工厂化栽培环境计算机控制系统，其特征在于包括N个控制系统客户端、控制系统服务器、Modbus总线集线器、室外气象站以及设于菇房内的M个Modbus总线接口传感器和执行器；所述的控制系统客户端经计算机通信网络与所述控制系统服务器连接；所述控制系统服务器经Modbus总线集线器负责控制所述传感器和室外气象站的数据采集以及执行器的动作，并同时负责实现控制系统客户端服务请求响应；其中N、M为自然数。本发明能实现对多达100个以上菇房进行各自独立的环境小气候实时监控以及栽培生产管理，以满足食用菌工厂化栽培对菇房环境自动调控和数字化栽培生产管理的要求。
文档编号G05B19/418GK103197639SQ20131009911
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者林东亮, 许志红 申请人:福州大学